第四章压力传感器

第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器压力传感器在汽车上的应用第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.1压力的概念及单位国际单位制中定义压力的单位：1N的力垂直均匀作用在1m2面积上，所形成的压力为1个帕斯卡，简称帕，符号Pa。在纬度45°的海平面上，0℃时的平均大气压。第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院表4-1（续）在标准重力加速度（980.655cm/s2）下，0℃时，1mm高水银柱底面上的压力。在标准重力加速度（980.655cm/s2）下，4℃时，1mm高水柱底面上的压力。1bar=1at≈1kgf/cm21bar=0.1MPa=100kPa1kg的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力。第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院FFLL+dL2r2(r-dr)ρ:电阻系数l:金属导线长度S:金属导线截面积一、电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。§4.2

应变式传感器第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院

——电阻的相对变化；——电阻率的相对变化；

——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；——截面积的相对变化。第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。S=πr2dS

/S=2·dr/rεr=–με由材料力学知将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院二、

压阻效应

半导体晶体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为“压阻效应”。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院由于πE一般都比（1+2μ）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成

式中π——压阻系数；E——弹性模量；σ——应力；ε——应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。

第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院2341电阻应变片结构示意图bl三、应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）

敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅宽第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2）

基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院（3）

引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。（4）

粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院四、

温度误差及其补偿1、温度误差由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。

第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院2、温度补偿自补偿法和电路补偿法1）自补偿 ①

单丝自补偿应变片 ②双丝组合式自补偿应变片2）

桥式电路补偿法第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院

测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成ΔR1t与ΔR2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2USCR2R4R1R3E桥路补偿法第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压变化。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。R1R2F构件受弯曲应力第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院热敏电阻补偿法当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。USCR2R4R1R3ERtR5第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1、单臂直流电桥五、测量电路R1R2R3R4USCUsrR1+△R第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院R1+△R1R2-△R2R3R4USCUsr2、差动电桥：相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院R1+△R1R2-△R2USCUsrR3-△R3R4+△R43、全桥：四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院§4.2电感式传感器--差动变压器一.工作原理互感式电感传感器本身相当于一个变压器，当一次线圈接入电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当互感变化时，感应电动势也相应变化。差动变压器有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动变压器。第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院二.结构形式第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院§4.3电容传感器电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成。当忽略边缘效应时，其电容器的电容量为电容传感器分为三种类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。一、工作原理第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院二、结构形式1.变极距型电容传感器2.变面积型传感器第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院3.变介电常数型传感器如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型电容传感器，常被用来测量液体的液位和材料的厚度。第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院1桥式电路三、测量电路第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院2、脉冲宽度调制电路原理：利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而变化，经过低通滤波器滤波后得到对应于被测量变化的直流信号。第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性§4.4压电式传感器一、定义第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院

各种小巧的压力传感器

压电传感器的外形

压力变送器部件

压力变送器

第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院二、压电材料种类：压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。

对压电材料特性要求：①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。

第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院五、压电传感器的特点力敏传感器，可测如力、压力、加速度等双向有源传感器体积小、重量轻结构简单、工作可靠频响宽第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院§4.5压力传感器在汽车上的应用(1)进气管压力传感器(2)大气压力传感器(3)空气滤清器真空开关(4)机油压力开关(5)空调高压、低压开关(6)油压助力制动系统中的油压传感器(7)主动悬架系统中的控制阀压力传感器(8)制动主缸油压传感器(9)蓄压器压力传感器(10)增压传感器汽车上的主要压力传感器：第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1汽车用压力传感器的种类与用途作用：检测空气滤清器是否堵漏，主要用于化油器规格的车辆上，利用压力差检测堵漏状况。工作原理：当产生压力差时（A>B），在B腔负压的作用下，膜片推压弹簧向下移动，笛簧开关导通。4.5.1.1真空开关第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院当空气滤清器发生堵塞时，B接头处为负压，笛簧开关闭合，报警指示灯亮。第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.2检测堵塞的连杆式传感器用于检测进气管内的负压，当达到规定值时，传感器内的触点闭合，点亮报警灯，发出空气滤清器已堵塞的警告。第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.3油压开关无压力作用时触点闭合；有压力作用时触点断开。作用：用于检测发动机油无油压，以及用于油压指示器上第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.4油压传感器作用：用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.5绝对压力型传感器作用：用于主动型悬架系统的油压控制第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.6相对压力型高压传感器作用：用于检测汽车空调的冷媒压力第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.7、进气管压力传感器（半导体压力传感器）1、作用在D型EFI中，由进气歧管绝对压力传感器测量进气管压力，并将信号输入到ECU中，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。2、安装位置安装在进气歧管上第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院半导体式进气管压力传感器：结构图工作原理原理：压力变化→硅片电阻变化→电压信号第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院电路图第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.8真空传感器工作原理：压力变化→波纹管变形→差动变压器的铁芯移动→差动变压器的输出端子产生电压→计算机→基本喷油量第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.9增压传感器作用：用于检测涡轮增压机的增压压力，修正喷射脉冲及控制增压压力。第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.10主油缸压力传感器作用：检测主油缸的输出压力。原理：制动压力→膜片变形→应变片阻值变化第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.1.11蓄压器用压力传感器安装在油压组件的上方，用于检测油压组件的压力。第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.2半导体进气压力传感器类型：绝对压力型差压型应变压力型表面受压型里面受压型受压面为形成测量电阻的平面受压面为形成测量电阻平面的反面第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.2.1传感器的结构硅杯的作用：吸收因底座材料与硅材料的热膨胀系数之差所造成的加在膜片上的热应力。工作原理（压阻效应）：压力→膜片→应力→测量电阻的阻值变化→电桥输出端电压或电流的变化第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.2.2压力传感器的额定值与特性（1）压力额定值额定电压：传感器正常工作时的最佳电压过载电压：在不影响各项特性的范围里可以加上的最大压力值。（2）输出电压特性传感器输出电压：在外加电压与压力时桥式电路输出端上的电压偏置电压：外加压力为0Pa时的输出电压（桥不平衡零点电压）控制电压（表明传感器的灵敏度）：传感器加上额定压力的输出电压减去偏置电压（3）精度与温度特性精度：将定义域内输出电压的上限值与下限值连接的直线定为基准线，确定的最大偏差温度特性：与硅片和硅杯的材料形状有关第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五南昌大学科技学院4.5.3半导体微差压力传感器4.5.3.1半导体微差压力传感器的工作原理采取措施：在涡旋压力导入管的左右设置涡旋压力导入口，将涡旋压力导入管左右交替产生涡旋的压力变化以差压方式传输至半导体管芯上。安装：在进气歧管上工作原理（压阻效应）：压力